[PDF] UNIVERSITÉ DORLÉANS ÉCOLE DOCTORALE SCIENCES ET

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UNIVERSIT

´E D"ORL´EANS´

ECOLE DOCTORALE SCIENCES ET TECHNOLOGIES

LABORATOIRE DE PHYSIQUE ET CHIMIE DE

L"ENVIRONNEMENT ET DE L"ESPACE

TH `ESEpr´esent´ee par :

Jean-Michel HENRIOT

soutenue le :20 mars 2009 pour obtenir le grade de :Docteur de l"universit´e d"Orl´eans

Discipline/ Sp´ecialit´e :Physique et Chimie de l"EnvironnementMod´elisation du transport d"esp`eces chimiques en

p´eriode convective pour l"´etude de la haute troposph`ere tropicale en Am´erique du SudTH `ESE dirig´ee par :

Virginie MARECALCharg´ee de Recherche, LPC2E

Michel PIRREProfesseur Em´erite, Universit´e d"Orl´eans

RAPPORTEURS :

Sylvie CAUTENETProfesseur, Universit´e Clermont-Ferrand 2 Georges DURRYProfesseur, Universit´e de ReimsJURY : Sylvie CAUTENETProfesseur, Universit´e Clermont-Ferrand 2,

Pr´esident du jury

Georges DURRYProfesseur, Universit´e de Reims

Karla LONGOChercheur, CPTEC-INPE (Br´esil)

Virginie MARECALCharg´ee de Recherche, LPC2E

Michel PIRREProfesseur Em´erite, Universit´e d"Orl´eans A ceux que je connais, partis durant ces trois ann´ees et demi :

Marcel Barthel´emy

Andr´e Feuillie

Paulette Henriot

Genevi`eve Maquin

Michel et Claire Nguyen-Phung

Jean Portmann

Michel Rebeaud

Remerciements

Je remercie Pierre-Louis Blelly, directeur du LPCE, futur LPC2E, pour m"avoir accueilli au sein du laboratoire. Je remercie Michel Tagger, directeur du LPC2E, et Gilles Poulet, directeur adjoint, pour leur soutient lors de cette th`ese et pour leur contribution `a l"obtention de ce diplˆome. Je remercie Michel Pirre et Virginie Mar´ecal, mes directeurs de th`ese. J"adresse mes remerciements `a Sylvie Cautenet et Georges Durry qui m"ont fait l"honneur d"ˆetre

rapporteurs de ce travail. Je suis ´egalement reconnaissant `a C´eline Mari et Karla Longo pour leur

´evaluation de ce travail.

Je remercie vivement Gwena

¨el, pilier ind´efectible qui m"a soutenu tout au long de ces trois an- n´ees et demi. Tu m"as permis de tenir bon et d"avancer, je t"en suis vraiment reconnaissant.

Je remercie ´egalement Natalie pour sa gentillesse et ses bons conseils qui m"ont bien aid´e. Je

regrette simplement de n"avoir pas pu aller jusqu"au bout de certaines id´ees!

Xavier et Aur´elie se sont bien occup´es de moi dans le cadre de la commission des th`ese -et en

dehors!-, je leur en suis tr`es reconnaissant. Je tiens `a exprimer ma reconnaissance `a Jean-Pierre Chaboureau, du Laboratoire d"A´erologie, pour les pr´ecieux conseils qu"il a su prendre le temps de me prodiguer. Un grand merci `a Yassine, `a Agn`es et `a Marco, qui ont bien voulu que je reste un peu avec eux

dans leur bureau... Merci pour tous ces bons moments et pour toutes ces discussions! Les ´ecureuils

vous le rendront...(ou Sephiroth!)

J"ai ´egalement ´et´e bien entour´e par les autres th´esards du laboratoire. Merci `a Mirvatte, Ve-

ronica, Gr´egory, Katia, Mostafa, Ga ¨el, Frantisek, Lena. Je souhaite `a Mirvatte que son nouveau d´epart lui apporte beaucoup! Je suis reconnaissant aux anciens doctorants pour toute leur aide. Merci `a Guillaume, Farida,

Sandrine.

Merci `a Christophe, Jean-Baptiste, Bertrand, Matthieu, Isma

¨el, Gilles, Florent, Claude, Laurent,

Michel, Christelle, Fr´ed´erique, Alessandro, Robert, Alessandro, ludovic, Val´ery que j"ai souvent

crois´es au rez-de-chauss´e. Je remercie chaleureusement les membres de la Kaf`et pour leur bonne humeur qui m"a souvent

bien r´econfort´e : Olivier, JYB, St´ephanie, Fatia, Fabrice, Pierre, Michel, Franck, G´abor, Julien,

Guillaume, S´ena, Matthieu, Antoine, Aude-Lyse, Dominique, Jean-Louis, J

¨urgen et tous ceux que

j"ai d´ej`a cit´es ou -`a ma grande honte- oubli´es.

Au cours de ma th`ese, je n"ai pas ´echapp´e aux formalit´es administratives pour lesquelles j"ai ´et´e

bien aid´e et guid´e. Merci `a Isabelle, Corinne, C´ecile, Fatia.

Merci `a l"´equipe ASR qui a su r´epondre `a mes sollicitations et qui permet au parc informatique

de fonctionner (`a peu pr`es) correctement!;)

J"ai eu l"occasion durant ma th`ese de partir au Br´esil, o`u j"ai ´et´e particuli`erement bien re¸cu par

Saulo Freitas et Karla Longo. Je les en remercie sinc`erement, ainsi que toutes les personnes que

j"ai eu l"occasion de rencontrer (personnes du CPTEC, ´etudiants en r´esidence avec qui j"ai pass´e

de tr`es bons moments, ...). J"ai eu la chance pendant ma th`ese d"exercer la fonction de moniteur. Merci `a Michel Pirre pour

m"avoir aiguill´e vers cette possibilit´e. Je remercie Brahim Sarh pour son accueil chaleureux au sein

de l"IUT d"Orl´eans o`u j"ai enseign´e. Pour leur bonne humeur, leur aide et leur encadrement, je suis

tr`es reconnaissant `a Lo ¨ıc, Manu, Jean-Pierre du d´epartement Chimie, `a Carole, Guylaine, G´erard,

S´ebastien et `a tous les enseignants avec qui j"ai eu la chance de travailler dans ces d´epartements.

Je remercie ´egalement les diff´erents acteurs du CIES Centre, ainsi que mes coll`egues moniteurs.

Enfin, dans un registre plus personnel, je remercie mes parents et mes fr`eres et soeurs (beaux

ou non!) pour leur amour et leur soutient, ma famille, mes amis rest´es fid`eles, en particulier Nono

et Nans pour ces ann´ees `a la fac et Emilie avec qui j"ai beaucoup partag´e, et surtout Am´elie, avec

qui la vie est belle!

A tous, merci beaucoup!

Table des mati`eres

Introduction9

I Contexte scientifique 13

I.1 Structure de l"atmosph`ere terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 I.1.1 La troposph`ere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 I.1.2 La stratosph`ere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

I.2 Circulation atmosph´erique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

I.2.1 Circulation g´en´erale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

I.2.2 Convection tropicale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 I.2.3 Caract´eristiques de la circulation atmosph´erique en Am´erique du Sud . . . . 19 I.3 Transport des esp`eces chimiques dans les r´egions intertropicales . . . . . . . . . . . . 21 I.3.1 Diff´erences de composition chimique entre la troposph`ere et la stratosph`ere . 22 I.3.2 Impact de la convection profonde sur la composition de la TTL . . . . . . . . 22 II Outils num´eriques : CATT-BRAMS et C-CATT-BRAMS 25

II.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

II.2 Le BRAMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 II.2.1´Equations primitives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

II.2.2 M´ethode de discr´etisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

II.2.3 Param´etrisations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 II.2.4 Conditions initiales et aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 II.3 Le CATT-BRAMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 II.3.1´Emissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 II.4 Le C-CATT-BRAMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 II.4.1 Pr´eprocesseur : SPACK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 II.4.2 Le m´ecanisme chimique RACM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 II.4.3 Solveur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 II.4.4 Calcul des taux de photolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 II.4.5 Param´etrisations pour les esp`eces chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 II.4.6 Conditions initiales et aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 II.5 Contributions au C-CATT-BRAMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 II.5.1 Cadastres d"´emissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 II.5.2 Validation et mise `a jour de Fast J . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

IIIMesures utilis´ees 57

III.1 Mesures de la campagne coordonn´ee de 2004 HIBISCUS-TROCCINOX-TROCCIBRAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 III.1.1 Mesures HIBISCUS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 III.1.2 Mesures TROCCINOX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 III.1.3 Mesures TroCCiBras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

III.2 Produits satellitaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

III.2.1 Taux de pr´ecipitations de TRMM et de GPCP . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 III.2.2 Mesures de la concentration en monoxyde de carbone par MOPITT . . . . . 64 7 IVEtude de la r´epartition du CO en p´eriode convective : analyse des r´esultats m´et´eorologiques 67

IV.1 Objectifs scientifiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

IV.2 Caract´eristiques g´en´erales des simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

IV.2.1 P´eriode simul´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

IV.2.2 R´esolutions spatiale et temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

IV.2.3 Initialisation des champs m´et´eorologiques et for¸cage . . . . . . . . . . . . . . 73

IV.2.4 Param´etrisations utilis´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

IV.3 Description et analyse des r´esultats de la simulation de r´ef´erence . . . . . . . . . . . 80

IV.3.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

IV.3.2 Analyse des r´esultats m´et´eorologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

V Etude de la r´epartition du CO en p´eriode convective : transport du traceurCO113 V.1 Analyse des r´esultats pour le monoxyde de carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 V.1.1´Etat initial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 V.1.2 Comparaison aux donn´ees de MOPITT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 V.1.3 Comparaison aux mesures a´eroport´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 V.1.4 Etude de deux vols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 V.1.5 Impact des param´etrisations des processus dynamiques . . . . . . . . . . . . 146

V.2 Tests de sensibilit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

V.2.1 Champ de concentration initial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 V.2.2 Inventaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 V.2.3 Temps de vie du CO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

VIPremiers tests du mod`ele C-CATT-BRAMS 169

VI.1 Description de la simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

VI.2 Analyse des r´esultats m´et´eorologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

VI.2.1 Taux pr´ecipitants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 VI.2.2 Comparaison aux radio-sondages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 VI.2.3 Comparaison aux mesures deμ-SDLA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

VI.2.4 Mesures a´eroport´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

VI.3 Analyse des r´esultats chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

VI.3.1 Comparaison aux sondes ozones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 VI.3.2 Comparaison aux mesures a´eroport´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

VI.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

VIIConclusions et perspectives 207

Introduction

9

Introduction10Depuis le d´ebut de l"`ere industrielle, l"impact de l"Homme sur son environnement a fortement

augment´e. La pollution engendr´ee est `a l"heure actuelle un probl`eme majeur `a l"´echelle plan´etaire.

En premier lieu, elle affecte dans les premiers kilom`etres de l"atmosph`ere la qualit´e de l"air que

nous respirons. L"enjeu est tel que des outils de pr´evision de la qualit´e de l"air ont ´et´e mis en place

et donnent lieu `a une information m´ediatis´ee des risques de pics de pollution, en particulier de

pollution `a l"ozone troposph´erique, gaz tr`es corrosif d´egradant les tissus pulmonaires lorsqu"il est

inhal´e. Cependant, cette pollution engendr´ee par l"Homme n"est pas uniquement confin´ee au bas

de la troposph`ere, comme l"a montr´e la compr´ehension du ph´enom`ene de destruction de l"ozone

stratosph´erique aux pˆoles, lors du printemps polaire. En effet, cette destruction est li´ee `a la pr´e-

sence dans la stratosph`ere polaire de polluants d"origine anthropique tels les cloro-fluoro-carbures.

Or, ces polluants sont ´emis dans la basse troposph`ere aux moyennes latitudes et principalement

dans l"h´emisph`ere nord. Ainsi, bien que la troposph`ere et la stratosph`ere pr´esentent des caract´eris-

tiques propres et sont s´epar´ees par la tropopause, il existe des voies de passage de l"une `a l"autre.

La principale de ces voies se trouve dans la zone intertropicale. Dans cette zone, la tropopause

est une r´egion de transition moins abrupte qu"aux moyennes latitudes. Cette zone particuli`ere, la

TTL (Tropical Tropopause Layer), est le principal sas d"entr´ee vers la stratosph`ere. Sa composition

prend donc une importance particuli`ere car d´eterminant les esp`eces inject´ees dans la stratosph`ere.

La composition de la TTL est fortement influenc´ee par la convection profonde tropicale, qui permet

le transport rapide des esp`eces ´emises depuis la basse troposph`ere jusque dans la TTL.

La convection profonde tropicale repr´esente donc le principal transport des esp`eces ´emises dans

les basses couches vers la haute troposph`ere o`u elles peuvent ensuite atteindre la stratosph`ere.

C"est un processus essentiel auquel de nombreuses ´etudes sont actuellement consacr´ees, tant sur

le ph´enom`ene physique lui-mˆeme que sur ses diff´erents impacts physiques et chimiques. Les outils

utilis´es pour ces ´etudes consistent d"une part en des mesures in-situ ou de t´el´e-d´etection utilisant

plusieurs plate-formes (satellite ou sous-ballons par exemple). D"autre part, les mod`eles num´eriques

sont maintenant d"un usage fr´equent. Ils regroupent l"ensemble de nos connaissances sur l"atmo-

sph`ere traduites sous la forme d"´equations math´ematiques ou de relations empiriques. Les mod`eles

num´eriques atmosph´eriques permettent notamment de v´erifier la validit´e des hypoth`eses faites et

l"´etat de la connaissance g´en´erale de l"atmosph`ere en confrontant les r´esultats des mod`eles aux me-

sures. Mesures et mod´elisation sont compl´ementaires. D"une part, les mod`eles utilisent les donn´ees

pour la validation des r´esultats de simulations. D"autre part, les mod`eles peuvent ˆetre utilis´es pour

aider `a l"interpr´etation des donn´ees. Les mod`eles permettent effectivement d"´elargir la vision de

l"atmosph`ere fournie par les mesures : le domaine spatio-temporel couvert par les mod`eles est plus

grand, et toutes les grandeurs physiques repr´esentatives de l"atmosph`ere sont accessibles lors d"une

simulation.

Les travaux pr´esent´es dans ce manuscrit s"inscrivent dans le cadre des ´etudes consacr´ees `a

la convection. L"approche choisie est l"utilisation d"un mod`ele num´erique 3D m´eso-´echelle `a aire

limit´ee, le CATT-BRAMS. Ce mod`ele offre la possibilit´e d"´etudier le transport de traceurs, en

l"occurence le monoxyde de carbone (CO). Pour analyser les r´esultats fournis par ce mod`ele, nous disposons de mesures acquisent durant la campagne coordonn´ee TROCCINOX-HIBISCUS-

TROCCIBRAS de 2004 dans l"´etat de S˜ao Paulo au Br´esil. L"objectif de ces travaux est triple.

D"une part, le CATT-BRAMS offre la possibilit´e d"´etudier l"impact du transport convectif sur la

r´epartition du CO dans l"atmosph`ere et plus particuli`erement dans la haute troposph`ere. D"autre

Introduction11part, l"´etude effectu´ee compl`ete celle de Freitaset al.(2007) et Longoet al.(2007) men´ee en saison

s`eche. Enfin, un nouveau mod`ele avec chimie, le C-CATT-BRAMS, est en fin de d´eveloppement.

Ce nouveau mod`ele utilisant le mˆeme sch´ema de transport que le CATT-BRAMS, l"´etude men´ee

avec ce dernier permet de s"assurer de la bonne repr´esentation du transport d"esp`eces par la partie

m´et´eorologique du mod`ele. Dans le chapitre I, nous pr´esentons tout d"abord la structure de l"atmosph`ere et la circulation

g´en´erale s"y d´eroulant, ainsi que les sp´ecificit´es de la zone intertropicale. Dans le chapitre II, nous

d´ecrivons les outils d"´etude utilis´es : le mod`ele CATT-BRAMS. Les diff´erentes mesures utilis´ees

(mesure de taux pr´ecipitants accumul´es, mesures m´et´eorologiques et de monoxyde de carbone) sont

d´ecrites dans le chapitre III. Puis nous pr´esentons dans le chapitre V l"´etude de traceurs que nous

avons r´ealis´ee. Enfin, les r´esultats pr´elimaires obtenus avec le nouveau mod`ele C-CATT-BRAMS

sont pr´esent´es dans le chapitre VI.

Introduction12

CHAPITRE I

Contexte scientifique

13

Contexte scientifique14Table des mati`eres

I.1 Structure de l"atmosph`ere terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 I.1.1 La troposph`ere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 I.1.2 La stratosph`ere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 I.2 Circulation atmosph´erique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 I.2.1 Circulation g´en´erale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 I.2.2 Convection tropicale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 I.2.3 Caract´eristiques de la circulation atmosph´erique en Am´erique du Sud . 19 I.3 Transport des esp`eces chimiques dans les r´egions intertropicales . . 21 I.3.1 Diff´erences de composition chimique entre la troposph`ere et la stratosph`ere 22 I.3.2 Impact de la convection profonde sur la composition de la TTL . . . . . 22 Contexte scientifique15I.1 Structure de l"atmosph`ere terrestre

L"atmosph`ere terrestre est stratifi´ee. Les couches la composant sont (depuis le sol vers l"espace) :

la troposph`ere, la stratosph`ere, la m´esosph`ere, la thermosph`ere et l"exosph`ere. Ces couches et

le profil de temp´erature correspondant sont montr´ees sur la figure I.1.1. La troposph`ere et la

stratosph`ere concentrent `a elles-seules environ 90% de la masse totale de notre atmosph`ere. Pour

cette raison, un grand nombre de travaux se concentrent sur la compr´ehension de ces deux couches,

des ph´enom`enes s"y d´eroulant et des liens entre la troposph`ere et la stratosph`ere. La troposph`ere est

la couche la plus proche de la surface et est le si`ege des ph´enom`enes dynamiques les plus complexes

tels les turbulences dans la couche limite ou la convection.Fig.I.1.1 -Structure verticale g´en´erale de l"atmosph`ere terrestre. Image extraite du site

http ://www.srh.noaa.gov.

I.1.1 La troposph`ere

La troposph`ere est la couche de l"atmosph`ere situ´ee entre le sol et environ 8km(aux pˆoles)

`a 16km(`a l"´equateur) d"altitude au sein de laquelle le gradient de temp´erature est n´egatif avec

l"altitude. Elle est d´ecompos´ee en deux sous-couches : la couche limite et la troposph`ere libre. La

couche limite est la sous-couche de l"atmosph`ere subissant directement l"influence de la surface. Elle est donc tr`es turbulente. Sa hauteur peut s"´etendre jusqu"`a environ 2km. La troposph`ere

libre est la sous-couche sup´erieure de la troposph`ere. Elle ne subit plus les frottements dus `a la

surface, ce qui permet une circulation des masses d"air sur de plus grandes distances. Au sommet

de la troposph`ere se trouve la tropopause, dont plusieurs d´efinitions peuvent ˆetre donn´ees. Elle

est souvent d´efinie comme l"altitude `a laquelle la temp´erature est la plus basse (point froid). La

d´efinition donn´ee par la WMO (World Meteorological Organization) est l"altitude la plus basse

Contexte scientifique16au-dessus de laquelle le gradient de temp´erature sur 2kmest sup´erieur `a -2°C/km.

I.1.2 La stratosph`ere

La stratosph`ere est situ´ee au-dessus de la tropopause. Elle s"´etend jusqu"`a environ 50km. Dans

cette couche, le gradient de temp´erature est positif avec l"altitude, ce qui permet la stratification

des masses d"air et un r´egime quasi-laminaire d"´ecoulement des masses d"air. La stratosph`ere pr´e-

sente ´egalement une particularit´e dans sa constitution chimique. Entre 20 et 30kmse trouve la

majeure partie de la couche d"ozone qui absorbe en tr`es grande partie le rayonnement ultra-violet

incident. C"est cette absorption r´e´emise sous forme collisionnelle ou infra-rouge qui r´echauffe l"air

environnant. Cette couche d"ozone prot`ege la vie des rayonnements nocifs et est donc particuli`ere- ment importante. De nombreux travaux ont eu et ont encore pour objet sa compr´ehension et celle des ph´enom`enes qui y sont rattach´es.

I.2 Circulation atmosph´erique

Les diff´erentes couches de l"atmosph`ere ne sont pas totalement isol´ees les unes des autres. Il

existe diff´erentes circulations internes `a chaque couche et permettant le passage d"une couche `a

l"autre, notamment entre la troposph`ere et la stratosph`ere.

I.2.1 Circulation g´en´erale

La quantit´e d"´energie re¸cue est tr`es importante pr`es de l"´equateur et beaucoup plus faible vers

les pˆoles. La circulation atmosph´erique tend `a r´etablir l"´equilibre en transportant l"exc`es d"´energie

re¸cu pr`es de l"´equateur vers les pˆoles. Pour cela se mettent en place plusieurs cellules d"ascendances

et de subsidences associ´ees `a grande ´echelle au sein de la troposph`ere : la cellule de Hadley entre

l"´equateur et environ +/-30°N, relay´ee par la cellule de Ferrel qui s"´etend jusqu"`a environ +/-60°N,

elle-mˆeme relay´ee par la cellule polaire terminant la chaˆıne vers les pˆoles. En altitude, `a la jonction

de deux cellules sont pr´esents de forts vents zonaux, les courants jets (figure I.2.1).

Dans la stratosph`ere, la circulation suit un sch´ema diff´erent cependant toujours li´e au d´es´equi-

libre ´energ´etique entre les pˆoles et l"´equateur et `a l"existance d"un pˆole d"´et´e et d"un pˆole d"hiver.

Dans le bas de la stratosph`ere, partant de l"´equateur, les masses d"air s"´ecoulent vers les pˆoles. Dans

la haute stratosph`ere et la m´esosph`ere, la circulation se fait directement d"un pˆole `a l"autre, depuis

le pˆole d"´et´e o`u le bilan radiatif est positif jusqu"au pˆole d"hiver o`u le bilan radiatif est n´egatif. La

figure I.2.2 montre la circulation g´en´erale en-dessous d"environ 35km.

I.2.2 Convection tropicale

La convection est un ph´enom`ene que l"on retrouve dans la plupart des fluides g´eophysiques

(magma terrestre, oc´eans, atmosph`ere). La convection dans l"atmosph`ere est ´etudi´ee au moins

depuis les ann´ees 50 (Scorer et Ludman 1953, Priestley et al 1954). Plusieurs types de convection

ont pu ˆetre mis en ´evidence : la convection restreinte et la convection profonde.

Contexte scientifique17Fig.I.2.1 -Circulation globale dans la troposph`ere et emplacement des deux jets permanents. Figure

extraite du site http ://www.srh.noaa.gov.

I.2.2.1 Convection restreinte

La convection restreinte est ´etudi´ee depuis plus d"une vingtaine d"ann´ee (Stull, 1985; Adrian

et al., 1986; Crumet al., 1987). Un exemple typique de convection restreinte est un champ de cumulus de beau temps. Cette forme de convection est confin´ee dans la basse troposph`ere par une couche stable (Sorbjan, 1996; Sullivanet al., 1998). Elle peut atteindre 4 `a 5kmd"altitude,

relˆachant dans le bas de la troposph`ere libre de l"air venant de la couche limite. L"interaction

entre l"ascendance et la subsidence compensatoire n"est pas clairement ´etablie `a ce jour. Le sch´ema

actuellement retenu est celui d"une ascendance bien localis´ee et une subsidence de faible intensit´e

r´epartie de mani`ere homog`ene `a grande ´echelle (figure I.2.3 a). Ce sch´ema est cependant remis en

cause par Jonkeret al.(2008). Les auteurs proposent en effet un sch´ema dans lequel l"intensit´e de

la subsidence compensatoire est forte pr`es de l"ascendance et d´ecroit fortement `a mesure que l"on

s"´eloigne (figure I.2.3 b). La convection restreinte permet d"amincir la couche stable qui la bloque

par l"apport d"eau condens´ee. Dans leur travaux, Khairoutdinov & Randall (2006) ont montr´e que

la convection restreinte est ´egalement source de r´egions plus froides qui renforcent les subsidences.

Par compensation, les ascendances entour´ees par ces r´egions plus froides gagnent en instensit´e.

I.2.2.2 Convection profonde

L"amincissement de la couche stable et l"accroissement de l"intensit´e des ascendances peuvent

mener, pour la convection continentale, au d´eclenchement souvent en fin de journ´ee de la deuxi`eme

forme de la convection : la convection profonde. La convection profonde est g´en´er´ee par une instabi-

lit´e suffisamment forte pour percer la couche stable. Elle se d´eveloppe ponctuellement sur l"ensemble

du globe, mais poss`ede une intensit´e particuli`ere dans la zone intertropicale. Des travaux montrent

que les sorties des colonnes convectives aux latitudes tropicales atteignent en moyenne 200hPa

(environ 14km) avec une temp´erature potentielle ´equivalente1proche de celle r´egnant au sommet

de la couche limite plan´etaire (Highwood & Hoskins, 1998; Folkinset al., 2000; Dessler, 2002). Cela indique qu"elle permet le transport rapide (en quelques heures) des masses d"air de la basse

troposph`ere vers la haute troposph`ere o`u la turbulence g´en´er´ee permet le m´elange de ces masses

d"air avec l"air environnant. De mani`ere g´en´erale, l"altitude atteinte par la convection profonde ne1

Temp´erature potentielle lorsque toute la chaleur latente a ´et´e lib´er´ee.

Contexte scientifique18Fig.I.2.2 -Diagramme montrant les principaux transports et moyens de m´elange entre la tropo-

sph`ere et la stratosph`ere. Les courbes fines montrent des surfaces isentropes s´electionn´ees lab´elis´ees

par la temp´erature potentielle en degr´es Kelvin. Les fl`eches larges indiquent le transport dans un

plan m´eridien en moyenne zonale. Les fl`eches ondulantes indiquent le transport par diffusion le

long des surfaces isentropes. Au dessus de400K, la stratosph`ere est divis´ee en diff´erentes r´egions

(le vortex polaire, la zone de transport rapide, le r´eservoir tropical et la stratosph`ere extra tropicale

du cˆot´e ´et´e) par diff´erentes barri`eres de transport par diffusion indiqu´ees par les lignes en gras.

En dessous de400K, l"atmosph`ere est s´epar´ee en troposph`ere et tr`es basse stratosph`ere par une

barri`ere correspondant `a la tropopause extra tropicale. Cette partie de la stratosph`ere est accessible

par le transport par diffusion le long des surfaces isentropes. Figure et l´egende extraites de Haynes

& Shuckburgh (2000). d´epasse pas 140hPa(Highwood & Hoskins, 1998). Cependant, il arrive que la convection d´epasse

la tropopause et p´en`etre ainsi directement dans la stratosph`ere, sans pour autant d´epasser la tro-

popause de plus d"environ 1.5km(Gettelmanet al., 2002). C"est le ph´enom`ene d""overshoot».

Il existe une diff´erence entre la convection au-dessus des continents et la convection au-dessus des

oc´eans. Au-dessus des continents, les ascendances sont plus fortes qu"au-dessus des oc´eans (Alcala

& Dessler, 2002) et atteignent g´en´eralement des altitudes plus ´elev´ees. Cependant, les cas d""over-

shoot»sont possibles dans les deux situations et `a l"heure actuelle le lieu o`u se situe le maximum

d"occurence des cas d"overshoot n"est pas encore bien d´efini. A partir des temp´eratures de brillance provenant de mesures infra-rouge des donn´ees Global

Cloud Imagery (GCI, Salbyet al., 1991) d"une r´esolution de 0.5°en longitude et en latitude, Gettel-

manet al.(2002) localisent l"activit´e convective la plus forte et atteignant les plus hautes altitudes

au dessus du Pacifique Ouest et Centre en f´evrier et au dessus de la mousson indienne en aoˆut. A

partir des donn´ees fournies par la mission TRMM sur 5 ann´ees, Liu & Zipser (2005) localisent au

contraire ces maxima principalement au dessus de l"Afrique centrale, de l"Indon´esie et de l"Am´e-

rique du Sud. Rossow & Pearl (2007) obtiennent des r´esultats similaires `a ceux de Gettelmanet al.

(2002) `a partir de 22 ann´ees de donn´ees infra-rouge et visible de l"ISCCP (International Satellite

CLoud Climatology Project), la r´egion o`u se produit le plus d""overshoot»´etant le Pacifique

Contexte scientifique19a b

Fig.I.2.3 -Sch´emas possibles pour la r´epartition des subsidences compensatoires lors de ph´eno-

m`enes convectifs restreints. En (a) est montr´es le sch´ema classique et en (b) le sch´ema propos´e par

Jonkeret al.(2008). Sch´emas tir´es de Jonkeret al.(2008).

Ouest. Les diff´erences des r´esultats obtenus par Gettelmanet al.(2002) et Liu & Zipser (2005)

proviennent des m´ethodes de d´etection des altitudes de nuages propres `a chaque jeu de donn´ees.

TRMM est en effet sensible plutˆot aux particules glac´ees pr´ecipitantes tandis que les produits ba-

s´es sur les temp´eratures de brillance sont sensibles aux particules nuageuses. Zipseret al.(2006)

argumente que l"origine des diff´erences de r´esultats se comprend alors du fait des diff´erences de

forces des ascendances entre les continents et les oc´eans : puisque les ascendances au dessus des

continents sont plus fortes qu"au dessus des oc´eans, les particules pr´ecipitantes atteignent ´egale-

ment de plus hautes altitudes. La dimension horizontale des syst`emes convectifs est ´egalement un

facteur d"augmentation de la fr´equence d"occurence des cas d"overshoot (Rossow & Pearl, 2007). I.2.3 Caract´eristiques de la circulation atmosph´erique en Am´erique du Sud La circulation en Am´erique du Sud est domin´ee par deux zones majeures de convergence, l"ITCZ (InterTropical Convergence Zone) et la SACZ (South Atlantic Convergence Zone), montr´ees sur la

figure I.2.4. L"ITCZ donne lieu `a la premi`ere bande de pr´ecipitation visible. Elle est situ´ee `a proxi-

mit´e de l"´equateur et couvre tout le p´erim`etre terrestre. Le mouvement saisonnier de l"ITCZ suit

celui du Soleil : elle se d´eplace vers le nord lors de l"´et´e bor´eal et vers le sud lors de l"hiver bor´eal.

Cette zone de convergence est responsable des saisons s`eches et humide dans la zone intertropicale. La deuxim`eme bande visible au-dessus de l"Am´erique du Sud sur la figure??est la SACZ. C"est une bande convective dont l"origine se situe typiquement dans le bassin amazonien et qui s"´etend

vers le sud-est du Br´esil jusqu"`a la r´egion subtropicale de l"oc´ean Atlantique. Cette zone de conver-

gence est toujours pr´esente pendant l"´et´e austral en Am´erique du Sud mais son intensit´e est tr`es

variable (Ferreiraet al., 2004; Carvalhoet al., 2004). La description suivante de cette zone provient

des ´etudes de Nogu´es-Paegle & Mo (1997) et de Liebmannet al.(2001), d"autres informations pouvant ˆetre trouv´ees dans Kodama (1992).

Les circulations de grande ´echelles associ´ees `a la SACZ sont influenc´ees par le r´echauffement

local et par l"orographie et sont connect´ees aux oscillations tropicales intersaisonni`eres. L"orogra-

phie et la masse continentale importante aux latitude tropicales permettent le d´eveloppement de

moussons avec des pr´ecipitations d"´et´e tr`es intenses centr´ees `a approximativement 10°S. Le pla-

teau bolivien, de largeur maximale `a environ 18°S, consitue une source de chaleur sensible `a haute

altitude, bien que la chaleur latente lib´er´ee par la convection organis´ee apporte la plus forte contri-

bution `a la source de chaleur au-dessus de l"Am´erique du Sud (Rao & Ergodan, 1989). L"effet de cette topographie, discut´e par Meehl (1992) est dual. D"une part, le flux zonal dominant est

Contexte scientifique20Fig.I.2.4 -Localisation des principales zone de d´eclenchement pr´ef´erentiel de la convection profond

`a l"aide des pr´ecipitations moyennes. Figure extraite de citetnogues-paegleAmo1997. Les positions

des trois principales villes cit´ees dans ce manuscrit ont ´et´e report´ees en rouge.

perturb´e et d"autre part, le contrast thermique entre la terre et la surface maritime est accentu´e.

Parmi les cons´equences de ces effets, on peut noter l"anticyclone de haute altitude (Bolivian High)

au-dessus du plateau bolivien et l"intensification du jet subtropical. L"´etude de Liebmannet al.

(2001) montre un flux entrant d"humidit´e depuis les tropiques vers l"Argentine et le sud du Br´esil

durant les p´eriodes humides. Ce flux est caus´e par un fort jet de bas niveau `a l"est des Andes, ce qui

est en accord avec les r´esultats de Wang & Paegle (1996). Ce jet permet l"´etablissement de couloir

d"humidit´e qui produisent les pr´ecipitations aux moyennes latitudes et aux latitude subtropicale

durant l"´et´e. La source d"humidit´e pour ce couloir est l"humidit´e apport´e par les vents du nord la

portant vers le sud `a l"est des Andes. Ces vents provenant des terres au-dessus de l"Am´erique du

Sud, leur capacit´e de transport de l"humidit´e d´epend du bilan d"humidit´e au-dessus de la partie

tropicale de l"Am´erique du Sud. Concernant les variations intra-saisonni`eres de la SACZ, Liebmannet al.(1999) et Liebmann

et al.(2001) montrent qu"elles sont le r´esultat de la propagation de perturbations originaires des

moyennes latitudes. Les variations de la SACZ semblent ´egalement ˆetre li´ees `a l"oscillation de

Madden-Julian mise en ´evidence par Madden & Julian (1994) (Casarin & Kousky, 1986; Kiladis & Weickmann, 1992; Park & Schubert, 1993; Kousky & Kayano, 1994; Nogu´es-Paegle & Mo, 1997;

Lenters & Cook, 1999; Paegleet al., 2000). De plus, Kousky & Casarin (1986) ont reli´e le d´eficite

Contexte scientifique21en pr´ecipitations au-dessus du sud du Br´esil `a un renforcement de la SACZ. L"extension vers le

sud et le renforcement de la SACZ sont associ´es `a une intensification de la convection tropicale

dans le centre et l"est du Pacifique et `a des conditions s`eches dans le Pacifique Ouest et dans

le continent maritime. La zone de convergence Sud Pacifique disparaˆıt, de mˆeme que l"ITCZ du

Golf de Mexico `a l"Atlantique. L"´etude de Nogu´es-Paegle & Mo (1997) ´evoque un motif oscillant

de la SACZ avec une inversion de l"amplitude en approximativement 10 jours. Une forte activit´e

convective au-dessus de la SACZ est associ´ee `a un d´eficite en pr´ecipitations au-dessus des plaines

subtropicales de l"Am´erique du Sud. A l"oppos´e, quand la SACZ faiblit, les pr´ecipitations au-dessus

de ces plaines sont abondantes. Les r´esultats de cette ´etude sont en accord avec ceux obtenus par

Kousky & Casarin (1986). Il est `a not´e que l"´etat de S˜ao Paulo est situ´e le plus au sud de la r´egion

sud-est du Br´esil et est au sein de la zone de plus forte intensit´e convective de la SACZ (Nogu´es-

Paegle & Mo, 1997) et que la SACZ a ´et´e reproduite `a l"aide d"un mod`ele r´egional par Figueroa

et al.(1995). I.3 Transport des esp`eces chimiques dans les r´egions inter- tropicales

La zone intertropicale est situ´ee entre environ -22 et 22°N de latitude. Le rayonnement solaire

incident ´etant pratiquement normal au sol, elle re¸coit une plus grande partie de l"´energie solaire.

Comme je l"ai d´ej`a pr´esent´e dans la partie 1.2.1, ce d´es´equilibre provoque la mise en place de cellules

de circulation de grande ´echelle. Cela conf`ere aux r´egions intertropicales une importance particu-

li`ere : elles sont situ´es au point de d´epart de la chaˆıne de circulation des masses d"air vers les pˆoles.

La zone intertropicale est une zone o`u se d´eveloppe pr´ef´erentiellement la convection. Elle est en

effet situ´ee `a la base de la branche ascendante de la cellule de Hadley. Cette derni`ere s"´etend le plus

haut en altitude car la tropopause est la plus haute. Elle transporte l"air et les esp`eces chimiques de

la basse troposph`ere tropicale vers la troposph`ere libre. Des travaux ont mis en ´evidence une couche

particuli`ere aux tropiques, situ´ee principalement autour de la tropopause (Highwood & Hoskins,

1998) entre environ 355Ket 400Ken temp´erature potentielle. Cette couche est appel´ee TTL

(Tropical Tropopause Layer). On peut la d´efinir comme une r´egion pr´esentant des caract´eristiques

`a la fois troposph´eriques et stratosph´eriques. Elle s"´etend donc de l"altitude `a laquelle est rencontr´ee

la premi`ere caract´eristique stratosph´erique et s"arrˆete `a l"altitude o`u disparaˆıt la derni`ere caract´e-

ristique troposph´erique. Au sein de la TTL, la circulation verticale consiste principalement en une

ascendance radiative lente. Horizontalement, la circulation est confin´ee m´eridiennement (principa-

lement par les jets tropicaux), mais est pr´esente `a toutes les longitudes (Haynes & Shuckburgh,

2000). Un peu au-dessus de la TTL se trouve une zone de plus faible ´echange entre la stratosph`ere

tropicale et la stratosph`ere des latitudes moyennes. Cette zone constitue le r´eservoir tropical. Sa

perm´eabilit´e varie fortement aux cours de l"ann´ee selon un cycle saisonnier. Entre les deux, de 380

`a 400K, il existe une zone d"´echange direct entre les latitudes tropicales et les latitudes moyennes.

L"ensemble de la circulation atmosph´erique dans la troposph`ere et dans la stratosph`ere est r´esum´ee

sur la figure I.2.2. Contexte scientifique22I.3.1 Diff´erences de composition chimique entre la troposph`ere et la stratosph`ere Il existe une barri`ere en terme de composition chimique mise en ´evidence par Folkins et al.

(1999) grˆace `a des mesures de la concentration d"ozone. Cette chemopause serait situ´ee `a environ

14kmet correspond `a l"altitude `a laquelle la concentration en ozone commence `a augmenter. Au

dessus de la chemopause, la concentration des esp`eces chimiques ´evolue rapidement vers des valeurs

typiques de la stratosph`ere. La troposph`ere libre et la couche limite sont situ´ees en-dessous de la

chemopause et comportent entre elles des diff´erences de composition chimique. La troposph`ere libre

est relativement peu pollu´ee. Le temps de vie des esp`eces y est relativement long. La couche limite

est au contraire tr`es pollu´ee et homog`ene du fait de la turbulence qui y r`egne. La composition

de la couche limite est directement influenc´ee par les ´emissions. Une diff´erence essentielle entre la

troposph`ere et la stratosph`ere est que dans cette derni`ere, les polluants introduits ne peuvent pas

produire d"ozone, dont la seule source est la photodissociation du dioxyg`ene.quotesdbs_dbs46.pdfusesText_46

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